ECAD-MCAD功能的一體化設(shè)計(jì)

在當(dāng)今全球市場上，需要在更短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出更小、更智能產(chǎn)品的壓力使得設(shè)計(jì)工程師必須不斷重新評估和修改從概念一直到制造的整體產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。

電子技術(shù)的快速發(fā)展進(jìn)一步推動了對變革的需求，一系列的革新進(jìn)程改變了我們現(xiàn)在用來創(chuàng)造電子產(chǎn)品的基本流程。產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨的新挑戰(zhàn)就是如何管理這些相互依賴度越來越高的流程，同時(shí)滿足生產(chǎn)工期要求。

隨著電子產(chǎn)品及其創(chuàng)造流程的不斷發(fā)展，電子設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)兩個(gè)完全不同的領(lǐng)域間需要協(xié)調(diào)合作。為了在當(dāng)今市場保持競爭力，設(shè)計(jì)人員必須采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在跨電子、機(jī)械領(lǐng)域的平穩(wěn)傳遞。

但是，電子設(shè)計(jì)通常被視為一套互不相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，其中每一項(xiàng)都要求有單獨(dú)的設(shè)計(jì)環(huán)境，如硬件設(shè)計(jì)、可編程邏輯設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)等。這種各自獨(dú)立的方法阻礙了與范圍更廣的產(chǎn)品開發(fā)流程進(jìn)行有效合作。然而，統(tǒng)一電子設(shè)計(jì)可創(chuàng)建使電子設(shè)計(jì)流程所有階段都實(shí)現(xiàn)真正的設(shè)計(jì)互動和合作所需的環(huán)境。通過將單一應(yīng)用中所需流程一體化，統(tǒng)一電子開發(fā)系統(tǒng)在本質(zhì)上可共享設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并能對設(shè)計(jì)信息進(jìn)行全局管理。設(shè)計(jì)各階段間無縫的信息傳輸帶來了靈活、交互和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)實(shí)踐，這樣的設(shè)計(jì)實(shí)踐可支持硬件和軟件之間的靈活分配。

統(tǒng)一電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)帶來的效率和高層設(shè)計(jì)協(xié)作延伸到了從概念直到制造的設(shè)計(jì)流程的各個(gè)層面。設(shè)計(jì)信息和數(shù)據(jù)的集中控制使產(chǎn)品開發(fā)流程涉及的所有人員都可以通過聯(lián)合協(xié)作的方式工作，包括文檔處理、部件管理和制造階段。

從更廣的角度來看，與電子設(shè)計(jì)緊密相關(guān)的領(lǐng)域之外需要高效設(shè)計(jì)協(xié)作。產(chǎn)品開發(fā)演變的一個(gè)越來越重要的部分就是設(shè)計(jì)在電子和機(jī)械方面的互動，對更小、更多功能封裝需求的不斷增加促使這二者在物理層面和開發(fā)層面緊密結(jié)合。

現(xiàn)在板卡裝配一般都包括所有外部硬件，如連接器、鍵盤和顯示器，而產(chǎn)品外殼在裝配完畢后把這些展現(xiàn)給用戶。把電子配件安裝在產(chǎn)品外殼中，單獨(dú)的硬件元件通過內(nèi)部連線連接在一起，這樣的日子一去不復(fù)返了。簡言之，現(xiàn)在封裝已經(jīng)不再是一個(gè)簡單的容器，而是產(chǎn)品緊密集成的一個(gè)部件。

圖1：當(dāng)今產(chǎn)品中的電子與機(jī)械設(shè)計(jì)方面相互交融、相互依存。

隨著設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜化、智能化而且聯(lián)系更密切，高級設(shè)計(jì)概念在ECAD領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及MCAD領(lǐng)域的工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)運(yùn)而生。它們聯(lián)合在一起共同決定設(shè)備的智能性、設(shè)計(jì)、功能以及外形如何結(jié)合并一起創(chuàng)造所有人都能使用的產(chǎn)品。

機(jī)械設(shè)計(jì)如今給電子設(shè)計(jì)帶來了前所未有的深刻影響，它可以影響或決定主板形狀、尺寸與組件布局，而且在許多情況下還會決定所使用的組件類型，甚至軟件運(yùn)行方式。這種趨勢給兩者之間的交互賦予了前所未有的重要性，因?yàn)楝F(xiàn)在產(chǎn)品的成功取決于ECAD-MCAD協(xié)作的成效，需要的是通力協(xié)作而非僅僅是有所聯(lián)系的過程。

長達(dá)25年的協(xié)同設(shè)計(jì)困擾

實(shí)際上，采用在各自領(lǐng)域設(shè)計(jì)應(yīng)用之間傳遞基本尺寸信息的通用文件格式，只能簡單滿足ECAD和MCAD設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸需求。尤其是從MCAD角度來看，MCAD設(shè)計(jì)在二十世紀(jì)七十年代的發(fā)展以及八十年代出現(xiàn)的實(shí)體建模，為數(shù)據(jù)交換文件格式的發(fā)展開辟了一條稍顯崎嶇的道路。

根據(jù)MCAD與ECAD應(yīng)用程序的不同，催生了一種傾向于僅在基本層面存在、依賴于大量文件交換格式的ECAD-MCAD設(shè)計(jì)流程。在過去，這意味著一個(gè)應(yīng)用的尺寸與對象布局?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)處理后需要通過各種2D和3D文件格式、作為"重要事件"發(fā)送到另一個(gè)應(yīng)用。如果每一步都需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)修改，則會引發(fā)又一次數(shù)據(jù)交換以確認(rèn)相關(guān)修改，從而最終形成一種妨礙MCAD-ECAD設(shè)計(jì)協(xié)作的繁雜過程。

解決上述問題的另一方法，是采用獨(dú)立的第三方設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換程序來簡化文件兼容性問題(如IDF在MCAD域偶爾獲得支持)，并提高過程的靈活性。這些程序通常以ECAD-MCAD應(yīng)用的本機(jī)格式提供導(dǎo)入／導(dǎo)出選項(xiàng)，而且在某些情況下會與采用對象鏈接(OLE)或編程界面(API)的程序直接連接。

但這兩種方法都不盡如人意。在采用基本文件交換設(shè)置情況下，由于交換格式自身的限制與不一致性，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤頻頻出現(xiàn)，而且數(shù)據(jù)傳輸量很難控制(太多或太少都有問題)。最重要的是，上述過程一般很難操作，且由于數(shù)據(jù)交換格式不兼容而容易出錯(cuò)。

由于能夠更嚴(yán)格定義格式和數(shù)據(jù)過濾選項(xiàng)以使用戶能指定傳輸所包含的對象，專用CAD轉(zhuǎn)換程序一般可以提供更好的解決方法。但不幸的是，由于在這過程中所插入的附加轉(zhuǎn)換層的復(fù)雜性，前后各需要兩個(gè)步驟。例如，由于與MCAD-ECAD應(yīng)用具有密切關(guān)系，這種方法會使轉(zhuǎn)換程序具有版本依賴性，從而進(jìn)一步增加整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的許可費(fèi)用。通過將其嵌入到MCAD或ECAD應(yīng)用，轉(zhuǎn)換程序的鏈接(OLE、API)版本可以提供集成度更高的解決方案，但代價(jià)是對版本的依賴性更高，而且MCAD-ECAD應(yīng)用必須加載到相同的PC平臺才能建立OLE/API互連。

一體化解決方案

隨著工業(yè)自動化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)界迫切需要綜合性強(qiáng)、可靠性高的信息交換機(jī)制實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAx）系統(tǒng)之間的有效集成。STEP標(biāo)準(zhǔn)既是一種產(chǎn)品信息建模技術(shù)，又是一種基于面向?qū)ο笏枷敕椒ǖ能浖?shí)施技術(shù)。它支持產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到分析、制造、質(zhì)量控制、測試、生產(chǎn)、使用、維護(hù)到廢棄整個(gè)生命周期的信息交換與信息共享，目的在于提供一種獨(dú)立于任何具體系統(tǒng)而又能完整描述產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的表示機(jī)制和實(shí)施的方法與技術(shù)。在設(shè)計(jì)和制造中， 許多系統(tǒng)過去常常要處理技術(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。每個(gè)系統(tǒng)有它自己的數(shù)據(jù)格式，所以相同的信息必然在多個(gè)系統(tǒng)中多次存儲，這會導(dǎo)致了信息的冗余和錯(cuò)誤。這個(gè)問題不是制造業(yè)所特有，只不過在制造業(yè)表現(xiàn)地更為突出，因?yàn)閺?fù)雜的數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)讓使用者們引起誤解，和誤差的擴(kuò)大。據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會估計(jì)，數(shù)據(jù)不兼容的問題對于制造業(yè)意味著一個(gè)9 0 0億元的損失… .

STEP（STandard Exchange of Product data model）標(biāo)準(zhǔn)是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的描述整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)，STEP標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)正在完善中的"產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型交換標(biāo)準(zhǔn)".它是由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）工業(yè)自動化與集成技術(shù)委員會（TC184）下屬的第四分委會（SC4）制訂，ISO正式代號為ISO-10303.它提供了一種不依賴具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，旨在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交換和共享。這種描述的性質(zhì)使得它不僅適合于交換文件，也適合于作為執(zhí)行和分享產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和存檔的基礎(chǔ)。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)把STEP標(biāo)準(zhǔn)推向了工業(yè)應(yīng)用。它的應(yīng)用顯著降低了產(chǎn)品生命周期內(nèi)的信息交換成本，提高了產(chǎn)品研發(fā)效率，成為制造業(yè)進(jìn)行國際合作、參與國際競爭的重要基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，是保持企業(yè)競爭力的重要工具。

基本的需求是在兩個(gè)域之間數(shù)據(jù)能可靠、全面和便捷地傳輸途徑。幸運(yùn)的是，3D數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的開發(fā)已經(jīng)發(fā)展到具備相對較新的STEP格式的新層次。STEP是一種針對3D設(shè)計(jì)與制造過程而設(shè)計(jì)的協(xié)議，不僅具有數(shù)據(jù)豐富性，而且極其穩(wěn)定。

STEP目前得到了大多數(shù)MCAD系統(tǒng)的支持，而且在ECAD域引入雙向支持可以實(shí)現(xiàn)一次性消除3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題。STEP文件可以是大文件，但如果 ECAD系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換界面提供一系列智能對象過濾選項(xiàng)，則可以輕松約束文件大小。除了文件兼容性的優(yōu)勢，此方法還能避免第三方應(yīng)用帶來的復(fù)雜性以及由此產(chǎn)生的費(fèi)用，并且不受MCAD-ECAD應(yīng)用程序版本問題的困擾。

讓我們再次關(guān)注一下基本需求，很顯然，問題的重要部分也需在ECAD域解決，尤其是在需要真正并行ECAD-MCAD設(shè)計(jì)的情況下。在當(dāng)前工作流程中，對象間隙問題完全在MCAD域解決，ECAD設(shè)計(jì)只有在完成關(guān)鍵間隙檢查之后才可以繼續(xù)進(jìn)行（圖2）。最后，斷續(xù)設(shè)計(jì)并行性可能是最好的結(jié)果。

圖2：在具有3D功能的ECAD主板設(shè)計(jì)空間集成了關(guān)鍵MCAD部分，可以使設(shè)計(jì)人員無需依賴兩個(gè)域之間低效率的連續(xù)交換設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流程便可實(shí)時(shí)檢查并糾正間隙與配合問題。

為實(shí)現(xiàn)ECAD間隙檢查，PCB編輯器不僅要求具有實(shí)時(shí)3D功能，還要求能將MCAD組件導(dǎo)入此空間。利用穩(wěn)定的STEP格式在ECAD領(lǐng)域引入組件(如外殼組件)，便可在PCB設(shè)計(jì)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)實(shí)際干擾檢查。如果結(jié)合這種系統(tǒng)來匹配用戶自定義間隙規(guī)則和3D對象透明度選項(xiàng)，便可在MCAD領(lǐng)域?qū)崟r(shí)解決大部分機(jī)械配合問題(圖3)。該系統(tǒng)符合甚至可能超越MCAD環(huán)境中同等過程的性能要求，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)領(lǐng)域之間真正的并行設(shè)計(jì)。

圖3：只要ECAD系統(tǒng)能夠提供對象間隙檢查功能且可鏈接至PCB設(shè)計(jì)空間之外的MCAD生成的3D STEP文件，就能實(shí)現(xiàn)ECAD與MCAD領(lǐng)域之間真正的并行設(shè)計(jì)。

上述方案可顯著降低復(fù)雜性并減少當(dāng)前系統(tǒng)所需的MCAD-ECAD設(shè)計(jì)過程中反復(fù)測試的次數(shù)。理想情況下，同時(shí)適合MCAD與ECAD設(shè)計(jì)的單個(gè)大型設(shè)計(jì)環(huán)境可避免反復(fù)操作。盡管利用當(dāng)前技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)，但可通過鏈接至3D數(shù)據(jù)文件，而不是將數(shù)據(jù)嵌入ECAD設(shè)計(jì)文件就可以減少甚至消除文件交換過程。

從工作流程角度來看，ECAD應(yīng)用只需從MCAD應(yīng)用已生成的外部3D STEP文件加載數(shù)據(jù)，PCB編輯器便可在外部文件修改時(shí)提醒用戶（對MCAD域的更新做出響應(yīng)），然后更新PCB工作空間和ECAD設(shè)計(jì)文件中的相應(yīng)對象。這一切均可在實(shí)時(shí)3D設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行，從而無需連續(xù)的MCAD-ECAD反復(fù)設(shè)計(jì)便可使主板設(shè)計(jì)人員實(shí)時(shí)解決機(jī)械間隙誤差問題。

當(dāng)今設(shè)計(jì)過程中物理特性重要性的日益提高，意味著最終需要采用直接處理核心問題的系統(tǒng)來解決ECAD與MCAD設(shè)計(jì)環(huán)境相互依存的關(guān)系。大部分試圖提供某種解決方案的現(xiàn)有系統(tǒng)均歸于失敗，或者就是造成效果相反、易于出錯(cuò)的工作流程。通過引入可提供穩(wěn)定3D數(shù)據(jù)傳輸、交互式間隙檢查以及實(shí)時(shí)MCAD領(lǐng)域鏈接功能的ECAD系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可同時(shí)在兩個(gè)領(lǐng)域開展協(xié)作，開發(fā)出具有顯著可持續(xù)競爭優(yōu)勢的獨(dú)特產(chǎn)品。

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